传感器原理与应用期末复习.ppt

1、传感器原理与应用,期末复习,试题构成：,单选题 10题 20分 填空题10题 30分 简答题 4题 24分 计算题 4题 26分,考试地点：J3-402 考试时间：26日（周三）下午1:303:30 答疑时间：25日 8:3017:00 地点： K2楼302室,期末复习,1 传感器技术基础,期末复习,国家标准GB7665-87对传感器下的定义是： 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和测量电路组成。,利用场的定律构成的传感器称为：结构型传感器。,基于物质定律构成的传感器称为：物性型传感器。,传感器具有能量信息转换的功能在于它的工作机理是基于各种

2、物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法则所支配。,期末复习,表示转换原理的限定符号应写进正方形内，表示被测量的限定符号应写进三角形内。,当无须强调具体的转换原理时，传感器的图形符号可以简化。,传感器的图形符号,传感器的静态模型,零位输出,传感器的理论灵敏度,非线性项系数,输入量,输出量,期末复习,传感器的主要静态特性指标,期末复习,1.线性度,线性度是表征传感器输出输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。通常用相对误差来表示线性度或非线性误差：,选定的拟合直线不同，计算所得的线性度数值也不同 选择拟合直线应保证获得尽量小的非线性误差 通常采用的方法最小二乘法,传感器的主要静

3、态特性指标,期末复习,2.灵敏度,灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率：,3.阈值（最小检测量）,阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。 有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成死区，则将死区的大小作为阈值。 更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。,传感器的主要静态特性指标,期末复习,其它还有： 回差（迟滞、滞后） 重复性 分辨力(率) 稳定性 漂移 静态误差(精度),传感器的动态模型 通常可以用零阶、一阶或二阶的常微分方程来描述：,零阶环节,一阶环节,期末复习,时间常数 静态

4、灵敏度,时间常数越小，阶跃响应越迅速，频率响应的上限截止频率越高。,的大小表示惯性的大小，一阶环节有称为惯性环节。,二阶环节,固有频率 静态灵敏度,阻尼比,期末复习,凡是能用一个零阶线性微分方程来描述的传感器就称为零阶传感器，能用一个一、二阶线性微分方程来描述的传感器就称为一、二阶传感器。,期末复习,传感器动态特性分析方法,传感器主要动态特性,时域：单位阶跃响应特性,频域：频率响应特性,通频带：,2 电阻应变式传感器,在应力作用下材料的电阻率发生变化应变电阻效应,电阻应变式传感器一：电阻应变片,期末复习,金属材料 应变电阻效应 半导体材料 压阻效应,它们的电阻相对变化与线应变成正比,电阻应变片

5、测量的是应变栅范围内的平均应变，单个应变片不能测量应力场中的应力梯度。,测量电路电桥,在测量中一般采用等臂电桥：,桥臂比：,期末复习,作用：将传感器的参数变化转换为电压输出,实际的测量电路多采用全等臂差动电桥：,期末复习,差动技术可以改善传感器的非线性。 要保证三个环节： 构成差动的传感器特性要完全相同； 接收的输入量要大小相等、方向相反； 输出量相减。,全等臂4臂工作差动电桥：,期末复习,补偿了非线性,3 变磁阻式传感器,期末复习,磁路磁阻变化,自感式,互感式 (差动变压器),电涡流式,测量电路,期末复习,应用：检测位移、振动、力、应变、流量、比重等。,4 电容式传感器,1.变极距型电容传感

6、器,期末复习,如果满足条件 那么上式可按级数展开：,电容的相对变化量：,一般可用 作为其特性表达式,期末复习,非线性误差大，仅适合测量微小位移量 可用减小 来提高灵敏度 高分辨率，可测量 的线位移,理论曲线,2. 变面积型电容传感器,灵敏度：,线性输出，量程不受线性范围的限制，适合测量较大的直线位移和角位移。灵敏度低。,由于灵敏度较低，在具体应用中多采用差动方式。,期末复习,3. 变介质型电容传感器,可测量介质的材质及厚度，或测量介质的移动距离。,期末复习,电容式传感器的测量电路,期末复习,电容式传感器的测量电路,期末复习,运算放大器:,运算放大器输入电流为零理想运放,对变极距型电容传感器：,

7、代入上式：,线性关系,这是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。,霍尔传感器基于霍尔效应,当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应。,5 磁电式传感器,期末复习,霍尔系数,霍尔元件厚度,霍尔元件的灵敏度,霍尔器件的测量电路,霍尔电势输出端,激励电流输入端,激励电流调节,补偿不等位电势,控制电极,霍尔电极,期末复习,霍尔器件的应用,期末复习,1.微位移及机械振动测量,当霍尔元件的控制电流不变，并置于均匀梯度的磁场中移动时，霍尔电势 只取决于它在磁场中的位移。,2.测量交、直流磁感

8、应强度，磁场强度,控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。,6 压电式传感器,期末复习,晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系。,期末复习,必须使用前置放大器,测量电路,电压放大器（阻抗变换器）、电荷放大器：,作用是将压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电压（电荷）成正比。,期末复习,压电式传感器的频响特性,7 热电式传感器,期末复习,1. 热电阻铂、铜、镍、铁,期末复习,三线制，电桥法测量,三线制要求三根导线的材质、线径、长度一致且工作温度相

9、同，即 。,调节 ，使得 即可消除引线电阻的影响。,2. 热敏电阻钴、锰、镍等的氧化物,期末复习,3. 热电偶,总热电势,产生热电势的条件： 热电偶不同电极材料；两端温度不同,期末复习,8 光电式传感器,光电效应,金属材料：铯、钠、锌等,期末复习,8 光电式传感器,1. 外光电效应,2. 光电导效应,期末复习,4. 光生电流与光强光照特性 相对灵敏度与入射光波长光谱特性,9 光纤传感器,临界角,全反射,期末复习,光纤的数值孔径：,光纤传感器的分类,非功能型：调制环节在光纤外部，光纤只起 传光作用。（传光型）,期末复习,功能型：调制环节在光纤内部，外界作用下 光纤光学特性变化。（传感型）,光纤传

10、感器的光强度调制方式,期末复习,解调：直接用光电器件检测光强信号的幅值,相位调制,光源必须是相干光,相位调制一般与干涉测量并用，构成相位调制的干涉型光纤传感器。,光电探测器不能检测相位的变化，因此需要用光学干涉技术将相位调制转换为振幅调制。,光纤传感器的应用,期末复习,反射式光纤位移传感器 光纤温度传感器 光纤吸收的光谱对温度敏感 光纤电流传感器 法拉第旋光效应 光纤角速度传感器(光纤陀螺) Sagnac效应 ,10 数字式传感器,数字输出：感应同步器、绝对编码器； 脉冲输出：增量编码器、感应同步器、光栅等； 频率输出：RC频率式、振体、振梁式。,期末复习,光栅,莫尔条纹,位移放大作用,莫尔条纹的移动方向可判别光栅的移动方向。,编码器,数字式角位移测量传感器,增量编码器至少1条增量码道+基准信号,绝对编码器格雷码,一个 位的码盘，它的分辨角度为：,位二进制分辨率的编码器，其码盘必